今年1月11日，有“中國天眼”之稱的中國500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)通過驗(yàn)收，具備開放運(yùn)行條件。而今，“中國天眼”已正式運(yùn)行超過300天。
在穩(wěn)定可靠運(yùn)行的同時(shí)，F(xiàn)AST“勤懇”從事觀測服務(wù)。國家天文臺(tái)近日表示，F(xiàn)AST已發(fā)現(xiàn)脈沖星數(shù)量超過240顆。在“天眼”的幫助下，中國科研團(tuán)隊(duì)迅速成為國際快速射電暴領(lǐng)域的核心研究力量。
1中國科學(xué)家取得一系列重大成果
成為射電暴領(lǐng)域的核心力量
在廣袤的宇宙中，經(jīng)常出現(xiàn)短暫而猛烈的無線電波爆發(fā)，持續(xù)時(shí)間通常僅有幾毫秒，卻能夠釋放出相當(dāng)于地球上幾百億年發(fā)電量的巨大能量。2007年，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了這樣的毫秒電波——快速射電暴，并對其展開了探索研究。
誰發(fā)出了這樣的電波?快速閃現(xiàn)的電波包含了什么信息?過去十幾年，各國天文學(xué)家一直在收集和分析信息。2017年，天文學(xué)家捕獲到一個(gè)毫秒無線電波爆發(fā)，在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)重復(fù)多次。利用世界多臺(tái)大射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合探測和定位，終于將一個(gè)重復(fù)爆發(fā)的無線電快速閃現(xiàn)源定位到宇宙深處30億光年之外的星系里。
“過去，由于沒有自己的大射電望遠(yuǎn)鏡，中國天文學(xué)家無法拿到第一手材料。在這一領(lǐng)域研究中，大多只能從事理論研究。”中國科學(xué)院院士、國家天文臺(tái)臺(tái)長常進(jìn)說。
隨著“中國天眼”竣工、調(diào)試，再到正式運(yùn)行并對國內(nèi)天文學(xué)家開放，快速射電暴領(lǐng)域的中國力量迅速崛起。
“中國天眼”聚光面積巨大，電波收集能力超強(qiáng)，是世界最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。其具有精密控制的變形能力，能夠聚焦和穩(wěn)定跟蹤天體。借助FAST的最新觀測，中國科學(xué)家取得一系列重大成果。
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天文利器助力觀測
終結(jié)射電爆發(fā)理論爭鋒
對于神秘的毫秒射電爆發(fā)，此前的理論研究主要有兩派觀點(diǎn)——一種認(rèn)為毫秒射電爆發(fā)是由粒子沖撞引起的，另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為它是粒子在強(qiáng)磁場中穿行產(chǎn)生的。
國家天文臺(tái)首席研究員韓金林說，F(xiàn)AST的觀測結(jié)果直接終結(jié)了理論爭鋒。“通過對11次射電爆發(fā)的高靈敏度偏振信號解析，中國科研人員用直接的觀測結(jié)果否定了粒子沖撞的理論。”
這個(gè)具有一錘定音意義的研究來自于北京大學(xué)教授、國家天文臺(tái)研究員李柯伽團(tuán)隊(duì)。2019年，該團(tuán)隊(duì)利用FAST探測到1例全世界僅有21例的快速射電暴重復(fù)爆發(fā)FRB180301。
更大的驚喜來自于對11次爆發(fā)電波的高靈敏度偏振信號解析。李柯伽說，過去世界上的望遠(yuǎn)鏡僅對30多個(gè)爆發(fā)源中的幾個(gè)記錄了偏振信號，能夠詳細(xì)研究的樣本非常少。FAST裝配的接收機(jī)偏振測量能力非常好，觀測的11個(gè)爆發(fā)信號中，有7個(gè)毫秒閃現(xiàn)爆發(fā)能夠很好地解析出其偏振。
據(jù)李柯伽介紹，這7個(gè)偏振不僅是變化的，而且呈現(xiàn)出變化的多樣性。這說明，宇宙中的爆發(fā)源可能來自致密星體磁層中的物理過程，而非來自粒子沖撞。
今年8月，北京師范大學(xué)林琳博士、北京大學(xué)張春風(fēng)博士、國家天文臺(tái)王培博士等聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，利用FAST觀測到銀河系中有一顆已知磁星SRG1935+2154呈現(xiàn)出幾十次伽馬射線爆發(fā)。王培說，F(xiàn)AST的測量結(jié)果，對研究快速射電暴的起源和物理機(jī)制將起到重要的推動(dòng)作用。
10月29日和11月4日，上述兩篇研究成果論文在《自然》雜志發(fā)表。在這一前沿領(lǐng)域的研究中，中國科學(xué)家已走在了前列。
“有了大國利器，我們在國際天文學(xué)領(lǐng)域的地位就不一樣了。在射電天文學(xué)領(lǐng)域，我們已經(jīng)進(jìn)入第一方隊(duì)。”中國科學(xué)院院士、FAST科學(xué)委員會(huì)主任武向平說。
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尋找銀河系外首顆射電脈沖星
測量技術(shù)應(yīng)用前景廣泛
正式“服役”近1年，F(xiàn)AST可以稱得上是“勞模”。國家天文臺(tái)公布的數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)AST的觀測服務(wù)超過5200個(gè)機(jī)時(shí)，超過預(yù)期目標(biāo)近兩倍，累計(jì)發(fā)現(xiàn)脈沖星數(shù)量超過240顆，基于FAST數(shù)據(jù)發(fā)表的高水平論文達(dá)到40余篇。
目前，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)的脈沖星中，包括被稱作“黑寡婦”的新脈沖雙星系統(tǒng)以及有“紅背蜘蛛”之稱的具有掩食現(xiàn)象的毫秒脈沖雙星。借助FAST的高靈敏度，脈沖星信號掩食現(xiàn)象以及脈沖星信號到達(dá)時(shí)間延遲等細(xì)節(jié)變化，都被清晰觀測到。
武向平說，期望在未來5年，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)脈沖星數(shù)量能達(dá)到1000顆，甚至能找到銀河系外的第一顆射電脈沖星。
隨著性能的提升，F(xiàn)AST科學(xué)潛力逐步顯現(xiàn)。其靈敏度是全球第二大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡的2.5倍以上，超強(qiáng)靈敏度使其在射電瞬變源方面具有重大潛力，有望在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)納赫茲的引力波探測。同時(shí)它還有能力將我國深空探測及通訊能力延伸至太陽系邊緣，滿足國家重大戰(zhàn)略需求。
FAST的先進(jìn)測量技術(shù)遠(yuǎn)不止于望遠(yuǎn)鏡本身，在其他領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。國家天文臺(tái)研究員、FAST總工程師姜鵬介紹，在高精度地礦勘探方面，F(xiàn)AST可以利用慣性組件與衛(wèi)星導(dǎo)航融合技術(shù)，為重力測量提供高精度的位置和方位姿態(tài)基準(zhǔn);在海洋測繪中，采用慣性組件與聲納等測量技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)海底測繪，為勘探區(qū)作業(yè)的機(jī)器設(shè)備建立高精度的時(shí)空和姿態(tài)基準(zhǔn)。
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觀測申請競爭激烈
明年將向全世界開放
天天摸著望遠(yuǎn)鏡做觀測的人，才能發(fā)現(xiàn)前沿的問題。只有擁有自己的“大望遠(yuǎn)鏡”，才能從觀測角度做出更多原創(chuàng)的、世界領(lǐng)先的成果。
1993年，包括中國在內(nèi)的10個(gè)國家的天文學(xué)家提出建造新一代射電望遠(yuǎn)鏡的倡議。活躍在國際天文界的南仁東毅然回國，力主中國獨(dú)立建造自己的“大望遠(yuǎn)鏡”。
此后，從1994年開始選址和預(yù)研究，到2016年9月正式啟用，再到今年年初正式開放運(yùn)行。“中國天眼”從預(yù)研到完成花費(fèi)了26年的時(shí)間，近百名科研工作者前赴后繼投入到項(xiàng)目之中，終于實(shí)現(xiàn)了從無到有、全球領(lǐng)先的“天眼”之夢。
在工程建設(shè)方面，F(xiàn)AST實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)自主創(chuàng)新，顯著推動(dòng)了我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的革新與發(fā)展。FAST的全新設(shè)計(jì)理念開創(chuàng)了建造巨型望遠(yuǎn)鏡的新模式。多年來，工程團(tuán)隊(duì)開展了一系列的技術(shù)攻關(guān)，克服了力學(xué)、測量、控制、材料、大尺度結(jié)構(gòu)等諸多技術(shù)難題，所有技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
FAST的反射面相當(dāng)于30個(gè)足球場，是世界最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，大大拓展人類的視野，也使中國的天文學(xué)家終于有機(jī)會(huì)走上世界科學(xué)研究的最前沿。
今年2月，在新冠肺炎疫情嚴(yán)峻之時(shí)，F(xiàn)AST團(tuán)隊(duì)克服困難，正式啟動(dòng)科學(xué)委員會(huì)遴選出的5個(gè)優(yōu)先和重大項(xiàng)目，近百名科學(xué)家開始使用并處理FAST的科學(xué)數(shù)據(jù)。4月，時(shí)間分配委員會(huì)開始向國內(nèi)天文界征集自由申請項(xiàng)目，目前已經(jīng)接到170余份申請，其中外部用戶的比例高達(dá)95.7%。
FAST觀測競爭激烈、一“測”難求。國家天文臺(tái)臺(tái)長、中科院院士常進(jìn)介紹，目前望遠(yuǎn)鏡收到的申請共約5500個(gè)小時(shí)，但實(shí)際獲得批準(zhǔn)的僅有1500個(gè)機(jī)時(shí)，即只有不到30%的申請時(shí)間能夠得到支持。
盡管觀測“供不應(yīng)求”，但FAST仍將面向全球科學(xué)家持續(xù)開放，讓“中國天眼”成為天文領(lǐng)域的“世界之眼”。
“未來10年，中國將迎來射電天文發(fā)展的黃金時(shí)期。”武向平說，為了發(fā)揮更大的科學(xué)價(jià)值，計(jì)劃明年將FAST向全世界科學(xué)家開放使用，一起為探索宇宙的奧秘、推動(dòng)人類文明的進(jìn)步作貢獻(xiàn)，構(gòu)建人類命運(yùn)共同體。